Производство приборов для бесконтактного измерения температуры: пирометры, тепловизоры ручные и стационарные — ООО «Инфратест»
Общие определения
Показатель визирования
Термин «показатель визирования» введен в пирометрической технике для описания и сравнения оптических систем пирометров. Показатель визирования - это отношение расстояния между пирометром и объектом измерения к диаметру пятна визирования. Пятно визирования - это минимальный диаметр излучающей площадки которая необходима для контроля температуры. Таким образом, пирометром с более высоким показателем визирования возможно измерение температуры объекта меньшего по своим геометрическим размерам. У современных пирометров величина показателя визирования может достигать значения 500:1 и выше. Рекомендуется, чтобы пятно визирования было несколько меньше, чем сам объект измерения.
У современных пирометров различают два вида оптической системы:
- с постоянным фокусным расстоянием
- с переменным (изменяемым) фокусным расстоянием.
Постоянное фокусное расстояние
При изготовлении, пирометры данного типа настраиваются на определенное фокусное расстояние. Пятно визирования в фокусе имеет наименьший диаметр, а в бесконечности максимальный. Поэтому различают два показателя визирования: в фокусе и в бесконечности (в фокусе показатель визирования максимальный). Пирометры данного типа рекомендуется устанавливать таким образом, чтобы фокусное расстояние и расстояние между пирометром и объектом измерения совпадали. Если это условие невыполнимо, по каким-либо причинам, тогда необходимо учитывать какое пятно необходимо обеспечить на выбранном расстоянии. Поверка пирометров данного типа производится только на фокусном расстоянии.
Рис. 1. Пример оптической системы пирометра
На рис. 1 приведен пример оптической системы, где указан диаметр пятна визирования в зависимости от расстояния. Если необходимо рассчитать каким будет пятно визирования пирометра далее 5 метров, то необходимо разделить расстояние в миллиметрах на 80.
К данному типу относятся следующие пирометры: Термоскоп-004, Термоскоп-100, Термоскоп-200, Термоскоп-600.
Переменное (изменяемое) фокусное расстояние
Пирометры данного типа имеют постоянный показатель визирования на любом удалении пирометра от объекта. Это достигается с помощью механической фокусировки оптической системы пирометра на объект измерения. Поверка пирометров данного типа производится на расстоянии указанном в руководстве по эксплуатации.
К данному типу относятся следующие пирометры: Термоскоп-300, Термоскоп-800.
Пятно визирования
Правильное наведение пирометра на объект измерения - залог представительных измерений. Пирометры частичного излучения (Термоскоп-004, Термоскоп-100, Термоскоп-200, Термоскоп-300-1С, Термоскоп-600-1С, Термоскоп-800-1С) требуют, чтобы объект полностью перекрывал пятно визирования.
Рис. 2. Примеры расположения пятна относительно объекта измерения
На рис. 2 приведены примеры расположения пятна визирования относительно объекта измерения. Первый вариант - правильный: объект с гарантированным запасом перекрывает пятно визирования. Второй вариант - нежелательный: размеры объекта сопоставимы с пятном визирования, при небольшом уменьшении геометрических размеров объекта или частичного ухода объекта пирометр будет занижать. Третий вариант - неправильный: пятно визирования больше объекта, пирометр будет всегда занижать. Также необходимо исключить наличие различного рода помех, на трассе пирометр - объект измерения, экранирующих поле обзора.
Эти правила не распространяются на приборы спектрального отношения ( Термоскоп-300-2С, Термоскоп-600-2С, Термоскоп-800-2С). Принцип спектрального отношения позволяет исключить многие негативные факторы, которые снижают точность измерения температуры традиционными пирометрами (нестабильность излучательной способности объекта, наличие пыли в атмосфере и экранирующих элементов в поле обзора, зависимость показаний в случае частичного ухода объекта из поля визирования пирометра и т.д.). Таким образом пятно визирования может не перекрывать объект измерения. Параметр - степень ослабления сигнала показывает сколько процентов сигнала может быть теряться на трассе пирометр - объект измерения без уменьшения точности измерения. В современных пирометрах степень ослабления сигнала достигает 95%, то есть площадь объекта может быть всего 5% от площади пятна визирования.
Также следует отметить, что все пирометры Термоскоп обладают гарантированными возможностями точного наведения пирометра на объект измерения.
Режим работы и алгоритмы
Все пирометры типа Термоскоп, за исключением Термоскоп-200, снабжены различными режимами работы и алгоритмами обработки сигнала. Они призваны исключить влияние различного рода неблагоприятных факторов, которые сказываются на представительности измерения.
Сглаживание позволяет выполнять усреднение текущих значений температуры. Данный режим необходим когда объект имеет нестабильную температуру.
Выборка максимума позволяет отображать максимальные значения температуры, представляющие собой наибольшее значение температуры, выбранные за определенный интервал времени. Данный режим необходим, например, когда металл на прокате покрыт окалиной и есть небольшие участки чистого металла или надо измерять температуру через «всполохи» пыли или пара.
Выборка минимума позволяет отображать минимальные значения температуры, представляющие собой наименьшее значение температуры, выбранные за определенный интервал времени. Данный режим необходим когда необходимо уменьшить влияние различного рода подсветок.
Излучательная способность (степень черноты) материала
Исследование проблемы излучения твердых тел опирается на понятие абсолютно черного тела (АЧТ), определяемого как объект, способный полностью поглощать все падающее излучение, какова бы ни была его длина волны. В соответствии с законом Кирхгофа АЧТ является идеальным излучателем.
Обычные тела в общем случае не являются черными телами. Нечерные тела поглощают только часть падающего излучения, отражая часть и пропуская часть. Эти коэффициенты селективны: иными словами они зависят от длины волны. Различные материалы обладают различными значениями этих коэффициентов.
Мощность, или поток излучения, - единственная величина, непосредственно измеряемая приемником ИК-излучения, является функцией заранее неизвестного коэффициента излучения и температуры исследуемого участка излучателя. Эта неопределенность (оценка одного параметра требует знания другого) является первой трудностью. Необходимо заметить, что коэффициент излучения к тому же зависит от направления, в котором наблюдается излучающая поверхность, а также от температуры этой поверхности. Во всех случаях коэффициент излучения зависит от состояния поверхности материала.
Для подавляющего большинства материалов наиболее эффективным пирометром является пирометр, использующий наиболее короткую возможную длину волны, но в некоторых случаях следует выбирать пирометр спектрального отношения.
Все пирометры типа Термоскоп снабжены возможностью коррекции степени черноты. Специалисты нашей компании всегда предоставят исчерпывающую информацию по возможности применения пирометров для измерения температуры определенного материала в различных условиях.
Линейный токовый выход
Все стационарные пирометры типа Термоскоп снабжены линейным токовым выходом для регистрации измеряемой пирометром температуры на вторичном регистрирующем приборе или компьютере (контроллере). Следует отметить, что токовая петля является более помехозащищенной в отличие от потенциального выхода. На токовый выход выдается сигнал, соответствующий текущему режиму работы пирометра: измерение, сглаживание, выборка минимума, выборка максимума. Диапазон изменения токового выхода обычно 4...20 мА, у некоторых пирометров он может настраиваться от 0 мА в условиях потребителя. Нижний предел токового выхода соответствует нижней границе температурного диапазона пирометра, а верхний предел токового выхода соответствует верхней границе температурного диапазона.
Рис. 4. Зависимость выходного тока от температуры объекта измерения.
Цифровой канал связи
Стационарные пирометры типа Термоскоп, за исключением Термоскоп-200,оснащены помехозащищенным цифровым выходом RS-485 и протоколом связи, совместимым со стандартным протоколом MODBUS, что позволяет объединять приборы в сигнальную сеть (до 31 устройства). Это дает возможность организовать (с помощью компьютера) распределенную пирометрическую систему для контроля, визуализации и хранения температуры объектов измерения.
Рис. 5. Использование цифрового канала связи
Абсолютно черное тело и поверка
Абсолютно черное тело, далее АЧТ, применяется как эталонный прибор для калибровки и поверки инфракрасных пирометров. Следует отметить, что диаметр входной апертуры АЧТ должен удовлетворять условиям описанным в главе «Показатель визирования». Пирометры типа Термоскоп, кроме Термоскоп-100 и Термоскоп-200, могут быть перекалиброваны в условиях потребителя с помощью специального программного обеспечения, который поставляется по отдельному запросу.